Пьезорезистивные датчики давления

2 месяца назад

1 мин.

Пьезорезистивные датчики давления: высокая чувствительность в компактной конструкции

Пьезорезистивные датчики давления — одни из наиболее технологичных и широко используемых измерительных датчиков, особенно в тех областях, где важны миниатюрность, высокая чувствительность и быстрый отклик. В основе их работы лежит явление изменения сопротивления полупроводникового материала при механическом напряжении.

Принцип действия

Чувствительным элементом является кремниевая мембрана с интегрированными пьезорезисторами.

Когда давление деформирует мембрану:

изменяются механические напряжения в структуре кремния;
сопротивление пьезорезисторов меняется;
мост Уитстона преобразует изменение сопротивления в электрический сигнал.

Схема принципа:

давление → механическое растяжение/сжатие кремния → изменение сопротивления → изменение напряжения на мосту → выходной сигнал.

В отличие от металлических тензодатчиков, кремний обладает очень высоким пьезорезистивным эффектом, что обеспечивает чувствительность на уровне микроизменений.

Конструкция чувствительного элемента

Пьезорезисторы могут быть:

диффузионными;
ионно-имплантированными;
эпитаксиальными.

Кристалл кремния часто травится с обратной стороны, формируя тонкую чувствительную мембрану толщиной 5–50 микрон. Сами датчики имеют крайне малый размер — иногда миллиметры.

Сигнал и электроника

Измерительный сигнал обычно проходит этапы:

усиление;
температурная компенсация;
фильтрация;
аналогово-цифровое преобразование.

Это позволяет получать высокоточную цифровую информацию о давлении с минимальным шумом.

Преимущества

очень высокая чувствительность;
быстрый отклик (до микросекунд);
миниатюрность;
низкое энергопотребление;
стабильность и повторяемость измерений;
возможность интеграции в микросистемы.

Благодаря малым размерам пьезодатчики часто используются в ограниченных пространствах, датчиках для мобильной техники и встроенных системах.

Недостатки

чувствительность к температуре;
необходимость температурной компенсации;
не всегда подходят для очень агрессивных сред без дополнительной мембраны.

Кремний — материал хрупкий, поэтому требуется защита от механических ударов.

Рабочие диапазоны

Обычно:

от 0,1 кПа до 10–20 бар — область высокой чувствительности;
до 100 бар — возможна работа, но с ограничениями конструкции мембраны.

Области применения

автомобильные датчики (MAP, давление топлива, масла);
медицинские датчики (артериальное давление, дыхательные системы);
авиационно-космические системы;
мобильная техника и компрессоры;
робототехника;
измерительные приборы и регистраторы давления;
бытовая техника (стиральные машины, котлы, кофемашины).

Пьезорезистивные датчики в буквальном смысле находятся в каждом современном автомобиле — в количестве 5–20 штук.

Монтаж и эксплуатация

датчик должен быть защищён от вибрации (хотя к ней довольно устойчив);
важно избегать резких скачков давления;
при работе с агрессивными средами используют защитную мембрану или масло-заполненные разделители.

Инженерные заметки

пьезорезистивные датчики — идеальны для малых давлений и динамических процессов;
из-за высокой чувствительности могут применяться для измерения высокочастотных колебаний давления;
их миниатюрность позволяет внедрять датчики в компактные модули и интегральные схемы.